新教材鲁科版高中化学必修第二册精品教学案第二章第二节第2课时化学反应能量转化的重要应用化学电池.docx
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新教材鲁科版高中化学必修第二册精品教学案第二章第二节第2课时化学反应能量转化的重要应用化学电池
新教材鲁科版高中化学必修第二册精品教学案
第二章第二节第2课时 化学反应能量转化的重要应用——化学电池
课程标准
核心素养
1.能分析原电池的工作原理，能书写简单的电极反应。
2.能辨识简单原电池的构成要素。
3.能举出化学能转化为电能的实例。
4.能举例说明化学电源对提高生活质量的重要意义。
1.宏观辨识与微观探析
能从宏观（能量变化）和微观（电子转移）相结合的视角分析原电池的组成和工作原理。
2.科学探究与创新意识
提高实施实验的能力，发展创造性体验和想象创新能力。
原电池的工作原理
1．现在，化学电池已成为人类生产和生活的重要能量来源之一，各式各样的化学电池的发明也是化学科学对人类的一个重大贡献。
化学电池是根据原电池原理制成的。
2．原电池——化学能转化为电能
原电池是一种利用氧化还原反应将化学能直接转化成电能的装置。
3．初识氢氧燃料电池
如图是一个简易的氢氧燃料电池的实验装置示意图。
用图a装置电解获得氢气和氧气，再按图b所示连接装置进行实验。
（1）在图b所示装置中，氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行，其中氢气分子中的氢原子在左侧石墨电极上失去电子，氢气作为电池的负极反应物；氧气分子中的氧原子在右侧石墨电极上得到电子，氧气作为电池的正极反应物。
稀硫酸中存在的自由移动的离子起到传导电荷的作用，导线起到传导电子的作用。
（2）物理学认为，在一个有电源的闭合回路中，产生电流的原因是电源给用电器提供了电势差。
简易氢氧燃料电池能够给用电器提供电势差，是由于在两个石墨电极上有得失电子能力不同的物质——氢气和氧气；当形成闭合回路时，便会产生电流。
（3）工作原理
原电池的基本工作原理是，还原剂和氧化剂分别在两个不同的区域发生氧化反应和还原反应，并通过能导电的物质形成闭合回路产生电流。
其中，还原剂（如氢气）在负极上失去电子，是负极反应物；氧化剂（如氧气）在正极上得到电子，是正极反应物；电极材料（如石墨电极）通常是能够导电的固体。
此外，还要有能传导电荷的电解质（如稀硫酸）作为离子导体；而导线则作为电子导体，起到传导电子形成闭合回路的作用。
4．简单原电池的构成要素
（1）一个反应：
氧化还原反应；
（2）两个电极：
相对活泼的金属做负极，相对不活泼的金属或能导电的非金属做正极；
（3）两个导体：
能提供自由移动的离子的电解质溶液作为离子导体；用电子导体（即导线）连接成闭合回路。
1．原电池的工作原理
工作过程中电解质溶液中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，与外电路构成闭合回路。
2．原电池正负极判断（从5个角度思考判断）
一般而言，原电池负极金属活泼性大于正极金属，但也有特例，如MgAlNaOH（aq）原电池中，Mg做正极，Al做负极；FeCu浓HNO3原电池中，Fe做正极，Cu做负极。
1．判断正误
（1）所有的化学反应均能设计成原电池。
（ ）
（2）原电池的负极金属一定比正极金属活泼。
（ ）
（3）原电池的负极一定发生氧化反应。
（ ）
（4）原电池工作时，电子通过电解质溶液由正极移向负极。
（ ）
（5）原电池工作时，正极一定产生气体。
（ ）
（6）原电池中化学能全部转变为电能。
（ ）
（7）原电池的两极只能用金属材料。
（ ）
答案：
（1）×
（2）× （3）√ （4）× （5）× （6）× （7）×
2．下列装置能构成原电池的是（连接两个电极的均是金属导线）（ ）
解析：
选D。
A中两极金属活泼性相同；B中无电解质溶液；C中没构成闭合回路。
3．已知空气锌电池的电极反应为锌片：
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O；碳棒：
O2＋H2O＋2e－===2OH－，据此判断，锌片是（ ）
A．正极并被还原B．正极并被氧化
C．负极并被还原D．负极并被氧化
解析：
选D。
由电极反应式：
Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O可知，Zn失电子被氧化，发生氧化反应，做负极。
设计原电池
1．设计原电池的基本思路
以Zn＋H2SO4===ZnSO4＋H2↑为例说明。
（1）将氧化还原反应分成两部分，负极反应为氧化反应：
还原剂－ne－===氧化产物；正极反应为还原反应：
氧化剂＋ne－===还原产物。
实例：
负极反应为Zn－2e－===Zn2＋；正极反应为2H＋＋2e－===H2↑。
（2）选择正负极材料和离子导体，以电极反应为依据，根据原电池的工作原理确定电极材料和离子导体。
通常，还原剂为负极材料，氧化剂为离子导体中某种阳离子，正极材料比负极材料的活动性弱或使用石墨做电极。
（3）画出原电池的装置简图。
2．锌铜原电池工作原理
实验装置
现象
锌片不断溶解，铜片上有气泡产生，电流表指针发生偏转
结论
导线中有电流通过，化学能转化为电能
解释
锌失电子发生氧化反应形成Zn2＋进入溶液：
Zn－2e－===Zn2＋（填电极反应式），锌片上的电子沿导线流向铜片
溶液中的H＋从铜片上得电子发生还原反应生成H2逸出：
2H＋＋2e－===H2↑（填电极反应式）
3.常见化学电池
（1）干电池：
属于一次电池，如锌锰电池。
（2）充电电池：
又称二次电池，如铅蓄电池、锂离子电池。
（3）燃料电池：
能量转换效率高、能长时间提供电能。
原电池原理的其他应用
1．比较金属的活动性强弱
（1）原理：
一般原电池中活动性较强的金属做负极，活动性较弱的金属做正极。
（2）应用：
A、B两种金属用导线连接后插入稀H2SO4中，若A极溶解，B极上冒气泡，则活动性：
A＞B。
2．加快化学反应
（1）原理：
在原电池中，氧化反应和还原反应分别在两极进行，溶液中的微粒运动时相互间的干扰小，使化学反应加快。
（2）应用：
实验室中用Zn和稀H2SO4制取H2时，通常滴入几滴CuSO4溶液，原因是Zn与置换出的Cu构成原电池，加快了反应的进行。
1．X、Y、Z、W四种金属片在稀盐酸中，用导线连接，可以组成原电池，实验结果如图所示：
则四种金属的活泼性由强到弱的顺序为（ ）
A．Z>Y>X>W B．Z>X>Y>W
C．Z>Y>W>XD．Y>Z>X>W
解析：
选A。
甲中Z为负极，活泼性：
Z>Y；乙中X上有气泡生成，则X为正极，活泼性：
Y>X；丙中根据电子的流向可知，Z为负极，活泼性：
Z>W；丁中W上发生还原反应，则W为正极，活泼性：
X>W；综上可知活泼性：
Z＞Y＞X＞W。
2．下列叙述是某同学做完锌铜原电池的实验后得出的结论和认识，你认为正确的是（ ）
A．构成原电池正极和负极的材料必须是两种金属
B．由铜、锌做电极与硫酸铜溶液构成的原电池中铜是负极
C．电子经外导线由锌流向铜，通过硫酸溶液被H＋得到而放出H2
D．锌铜原电池工作时，若13g锌被溶解，电路中就有0.4mol电子通过
解析：
选D。
两种活动性不同的金属与电解质溶液能构成原电池，但不能因此说构成原电池电极的材料一定都是金属，如锌和石墨电极也能跟电解质溶液构成原电池；在原电池中，电子由较活泼金属移向较不活泼的金属，因此活泼金属是负极；电子不能通过电解质溶液，应该是H＋在铜极上得到由锌沿导线转移过来的电子；锌铜原电池工作时，负极锌失电子，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋，1molZn失去2mol电子，0.2molZn（质量为13g）被溶解，电路中有0.4mol电子通过。
3．铁及铁的化合物应用广泛，如FeCl3可用作催化剂、印刷电路铜板腐蚀剂和外伤止血剂等。
（1）写出FeCl3溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式：
________________________________________________________________________。
（2）若将
（1）中的反应设计成原电池，请在方框内画出原电池的装置图，标出正、负极，并写出电极反应式。
正极反应式：
_____________________________________________________；
负极反应式：
____________________________________________________。
解析：
首先分析Fe3＋与Cu反应中的氧化剂、还原剂，然后依据原电池原理，再设计成原电池。
依据反应：
2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，Cu失电子，应为原电池的负极，正极材料选用比铜不活泼的铂丝，或导电的非金属如石墨棒，电解质溶液选用FeCl3溶液。
答案：
（1）2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋
（2）
2Fe3＋＋2e－===2Fe2＋ Cu－2e－===Cu2＋
课堂小结
化学电池→原电池
合格考训练
1．下列装置中有电流产生的是（ ）
解析：
选C。
A项中两电极材料相同，B项中没有构成闭合回路，D项中四氯化碳为非电解质。
2．将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间，以下叙述正确的是（ ）
A．两烧杯中铜片表面均无气泡产生
B．甲中铜片是正极，乙中铜片是负极
C．两烧杯中溶液的c（H＋）均减小
D．铜片上产生气泡的速率甲比乙慢
解析：
选C。
甲构成原电池，铜片表面有气泡产生，乙不能构成原电池，铜片表面无气泡产生，也不做正极。
形成原电池会加快反应速率，故甲中产生气泡的速率较快；甲、乙两烧杯中H＋均参加反应，c（H＋）均减小。
3．如图为番茄电池，下列说法中正确的是（ ）
A．一段时间后，锌片质量会变小
B．铜片附近会出现蓝色
C．电子由铜片通过导线流向锌片
D．锌片是该电池的正极
解析：
选A。
番茄电池中锌片是负极，铜片是正极，负极锌片会失去电子而溶解，质量减小，A项正确、D项错误；铜片是正极，电子由负极锌片流向正极铜片，C项错误；铜片附近不会出现蓝色，B项错误。
4．一个化学电池的总反应为Zn＋Cu2＋===Zn2＋＋Cu，该化学电池的组成可能为（ ）
选项
A
B
C
D
正极
Cu
Cu
Zn
Fe
负极
Zn
Zn
Cu
Zn
电解质溶液
H2SO4
CuCl2
ZnCl2
ZnCl2
解析：
选B。
电解质溶液中一定含有Cu2＋，只有B项正确。
5．有a、b、c、d四个金属电极，有关的反应装置图及部分反应现象如下：
a极质量减小，b极质量增大
b极有气泡产生，c极无变化
d极溶解，c极有气泡产生
电流从a极流向d极
则这四种金属的活动性由强到弱的顺序是（ ）
A．a>b>c>d B．b>c>d>a
C．d>a>b>cD．a>b>d>c
解析：
选C。
装置甲中，a极质量减小，b极质量增大，a极为负极，b极为正极，所以金属的活动性顺序：
a>b；装置乙中，b极有气泡产生，c极无变化，所以金属的活动性顺序：
b>c；装置丙中，d极溶解，c极有气泡产生，d极为负极，c极为正极，所以金属的活动性顺序：
d>c；装置丁中，电流从a极流向d极，a极为正极，d极为负极，所以金属的活动性顺序：
d>a；故这四种金属的活动性顺序为d>a>b>c。
6.
如图所示，在银锌原电池中，以硫酸铜为电解质溶液，锌为________极，该电极上发生________反应（填“氧化”或“还原”），电极反应式为______________，锌片上观察到的现象为______________________；银为________极，电极上发生________反应（填“氧化”或“还原”），电极反应式是______________________，银片上观察到的现象是__________________。
解析：
在银、锌及CuSO4溶液形成的原电池中，由于活泼性Zn＞Ag，所以Zn做负极：
Zn－2e－===Zn2＋，Zn片逐渐溶解；Ag做正极：
Cu2＋＋2e－===Cu，析出的Cu沉积在Ag片上。
答案：
负 氧化 Zn－2e－===Zn2＋ Zn片逐渐溶解 正 还原 Cu2＋＋2e－===Cu 银片上有红色物质析出
等级性测试
1.
暖宝宝（如图所示）采用的是铁的“氧化放热”原理，使其发生原电池反应，铁粉在原电池中充当（ ）
A．负极 B．正极
C．阴极D．阳极
解析：
选A。
铁被氧化，负极发生氧化反应，铁粉在原电池中充当负极，故A正确。
2.
如图是某课外活动小组设计的用化学电源使LED灯发光的装置。
下列说法错误的是（ ）
A．铜极反应式为2H＋＋2e－===H2↑
B．电子从锌片通过溶液流向铜片
C．装置中存在化学能→电能→光能的转化
D．如果将锌片换成铁片，电路中的电流方向不变
解析：
选B。
铜锌原电池中，Cu做正极，溶液中的氢离子在正极上得电子生成氢气，所以Cu上有气体生成，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故A正确；锌比铜活泼，形成原电池时，锌为负极，失去电子，电子沿外电路由锌流向铜，电子不能通过溶液，溶液中是离子做定向移动，故B错误；原电池中化学能转化为电能，LED灯发光时，电能转化为光能，故C正确；金属性Cu比Zn、Fe弱，将锌片换成铁片后，Cu仍做正极，所以电路中的电流方向不变，故D正确。
3．某原电池反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋。
下列不能实现该反应原理的原电池是（ ）
A．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为FeCl3溶液
B．正极为C，负极为Fe，电解质溶液为Fe（NO3）3溶液
C．正极为Cu，负极为Fe，电解质溶液为Fe2（SO4）3溶液
D．正极为Ag，负极为Fe，电解质溶液为CuSO4溶液
解析：
选D。
由2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋和原电池的构成条件可知，原电池的电解质溶液为含Fe3＋的盐溶液，负极为Fe，正极为活动性比Fe弱的金属或能导电的非金属。
4．如图是Fe和Cu形成的原电池，某实验兴趣小组做完实验后，在读书卡片上记录的下列内容正确的是（ ）
①Fe为正极，Cu为负极
②H＋向负极移动
③电子是由Fe电极经外电路流向Cu电极
④Cu电极上有H2产生
⑤若有1mol电子流过导线，则产生的H2为11.2L
⑥负极的电极反应式为Fe－3e－===Fe3＋
A．①②③ B．③④
C．③④⑤D．③④⑥
解析：
选B。
Fe为负极，Cu为正极，①错误；H＋向正极移动，②错误；电子由Fe电极经外电路流向Cu电极，③正确；Cu电极上发生反应：
2H＋＋2e－===H2↑，④正确；由2H＋＋2e－===H2↑可知，若有1mol电子流过导线，则产生氢气0.5mol，但未注明条件，不能计算H2的体积，⑤错误；负极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，⑥错误。
5．将铂电极放置在KOH溶液中，然后分别向两极通入CH4和O2，即产生电流，称为甲烷燃料电池。
下列有关说法中错误的是（ ）
A．CH4在负极上反应，O2在正极上反应
B．放电过程中电解质溶液的碱性减弱
C．此电池属于环境友好型电池
D．此电池中化学能100%转化为电能
解析：
选D。
A项，甲烷燃料电池中，燃料失电子发生氧化反应，所以CH4在负极上反应，O2得电子发生还原反应，所以O2在正极上反应，正确；B项，根据电池总反应CH4＋2O2＋2OH－===CO
＋3H2O知，OH－参加反应，所以溶液中OH－浓度降低，溶液的碱性减弱，正确；C项，该电池放电时不产生对环境有污染的物质，所以属于环境友好型电池，正确；D项，此电池中化学能转化为电能和少量热能，错误。
6．有A、B、C、D四块金属片，进行如下实验：
①A、B用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，A为负极；②C、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，电流方向为D→导线→C；③A、C相连后，同时浸入稀硫酸中，C极产生大量气泡；④B、D用导线相连后，同时浸入稀硫酸中，D极发生氧化反应。
据此，判断四种金属的活泼性顺序是（ ）
A．A>C>D>BB．D>C>B>A
C．A>D>C>BD．C>A>B>D
解析：
选A。
①中，A为负极，B为正极，可知金属活泼性：
A>B；②中，外电路电流方向为D→导线→C，则D是正极，C是负极，金属活泼性：
C>D；③中，C极产生大量气泡，说明该极发生了还原反应：
2H＋＋2e－===H2↑，则C是正极，A是负极，金属活泼性：
A>C；④中，D极发生氧化反应，则D是负极，B是正极，金属活泼性：
D>B。
综上所述可得几种金属的活泼性顺序为A>C>D>B。
7.
如图所示，电流表的指针发生偏转，正极变粗，负极变细，符合这种情况的是（ ）
A．正极为Cu，负极为Zn，S为稀H2SO4
B．正极为Zn，负极为Cu，S为CuSO4溶液
C．正极为Ag，负极为Zn，S为AgNO3溶液
D．正极为Fe，负极为Cu，S为AgNO3溶液
解析：
选C。
原电池中，负极失去电子，根据题意负极变细，即金属单质失电子，负极应该是活泼金属，故B、D错误；又因为正极变粗，即该电池的总反应应该是金属与盐溶液之间的置换反应，故A错误，C正确。
8.
有如图所示的装置，当电流表中显示产生持续电流时，下列说法正确的是（ ）
A．Cu是原电池的负极
B．Al是原电池的负极
C．电子由铝沿导线流向铜
D．铝片上的电极反应式为Al－3e－===Al3＋
解析：
选A。
铜、铝、浓硝酸构成的原电池中，常温下，金属铝遇到浓硝酸会发生钝化，所以金属铜是负极，金属铝是正极，负极上发生金属失电子的氧化反应，正极上发生得电子的还原反应，A正确，B错误；电子从负极（铜）沿导线流向正极（铝），C错误；铝是正极，该电极上金属不反应，而是硝酸中的硝酸根离子发生得电子的还原反应，D错误。
9．由A、B、C、D四种金属按下表中装置进行实验。
装
置
现象
金属A不断溶解
C的质量增加
A上有气体产生
根据实验现象回答下列问题：
（1）装置甲中负极的电极反应式是_________________________________
（生成二价阳离子）。
（2）装置乙中正极的电极反应式是___________________________________________。
（3）装置丙中溶液的酸性________（填“增强”“减弱”或“不变”）。
（4）四种金属活泼性由强到弱的顺序是______________________________。
解析：
甲、乙、丙均为原电池装置。
依据原电池原理，装置甲中金属A不断溶解，则A为负极、B为正极，活泼性A＞B；装置乙中C的质量增加，即析出Cu，则C为正极、B为负极，活泼性B＞C；装置丙中A上有气体即H2产生，则A为正极、D为负极，活泼性D＞A，随着H＋的消耗，溶液的酸性减弱。
答案：
（1）A－2e－===A2＋
（2）Cu2＋＋2e－===Cu
（3）减弱 （4）D＞A＞B＞C
10．利用生活中或实验室中常用的物品，根据氧化还原反应知识和电化学知识，自己动手设计一个原电池。
请填写下列空白：
（1）实验原理：
Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。
（2）实验用品：
电极（________、________）、稀硫酸、烧杯、________、耳机、电流计（填写所缺的实验用品）。
（3）实验装置如图。
（4）原电池设计及注意的问题
①按如图所示连接好实验仪器，这时可以听见耳机发出“嚓嚓嚓”声音。
其原因是在原电池中，化学能转化为________。
②如果将装置中的耳机改为电流计，则铁钉应该接电流计的________极，电极反应式为__________________________；另一极接电流计的________极，电极上发生了________（填“氧化”或“还原”）反应。
解析：
原电池的构成条件是电极、导线、电解质溶液。
负极应用铁钉或铁条，正极可选铜棒、铜钉或石墨（如铅笔芯）等，电解质溶液盛放在烧杯中；原电池是将化学能转化为电能的装置，电流计的负极应与电源负极相连，负极发生氧化反应，正极发生还原反应。
答案：
（2）铁钉（或铁条） 铜钉（或铅笔芯） 导线
（4）①电能
②负 Fe－2e－===Fe2＋ 正 还原
11．某化学兴趣小组为了探究铝电极在原电池中的作用，设计并进行了以下一系列实验，实验结果记录如下：
编号
电极材料
电解质溶液
电流计指针
偏转方向
1
Mg、Al
稀盐酸
偏向Al
2
Al、Cu
稀盐酸
偏向Cu
3
Al、C（石墨）
稀盐酸
偏向石墨
4
Mg、Al
氢氧化钠溶液
偏向Mg
5
Al、Zn
浓硝酸
偏向Al
根据表中的实验现象回答下列问题：
（1）实验1、2中Al所做的电极（正极或负极）是否相同？
________（填“是”或“否”）。
（2）对实验3完成下列填空：
①铝为________极，电极反应式为____________________________。
②石墨为________极，电极反应式为_____________________________________。
③电池总反应化学方程式：
_____________________________________________。
（3）实验4中铝做负极还是正极？
________，理由是___________________________
________________________________________________________________________。
写出铝电极的电极反应式：
_________________________________________________。
（4）解释实验5中电流计指针偏向铝的原因：
__________________________
________________________________________________________________________。
（5）根据实验结果总结出影响铝在原电池中做正极或负极的因素：
________________________________________________________________________。
解析：
在原电池中，一般相对较活泼的金属材料做负极。
在稀盐酸中的活泼性Mg>Al>Cu。
由实验1和2可知，在题中原电池中电流计指针偏向正极。
在实验3中电流计指针偏向石墨，由上述规律可知，Al是负极，石墨是正极，化学反应是Al失去电子被氧化为Al3＋，盐酸中的H＋得到电子被还原为H2。
在NaOH溶液中，Al与NaOH能自发反应，而Mg不能，则Al是负极，Mg是正极。
Al在浓硝酸中被钝化，Zn能与浓硝酸持续反应，Zn被氧化，Zn是负极，Al是正极，所以在实验5中电流计指针偏向Al。
答案：
（1）否
（2）①负 2Al－6e－===2Al3＋
②正 6H＋＋6e－===3H2↑
③2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑
（3）负极 Al能与NaOH溶液发生反应，而Mg不与NaOH溶液反应 Al－3e－＋4OH－===[Al（OH）4]－
（4）在浓硝酸中，Al被钝化，Zn是原电池的负极
（5）①另一个电极材料的活泼性；②电解质溶液及其氧化性
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